王軍勝

(陜西陜煤蒲白礦業(yè)有限公司,陜西 渭南 715517)

0 引言

近年來，蒲白礦業(yè)圍繞“創(chuàng)新、安全、高效、智能、綠色”五大發(fā)展理念，積極開展綜放智能開采工程實(shí)踐，聯(lián)合中國煤炭科工集團(tuán)、西安重工裝備制造集團(tuán)有限公司、寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司、德國瑪珂公司(MARCO)等技術(shù)研發(fā)和裝備制造單位，共同攻關(guān)，在引進(jìn)、吸收和消化智能開采技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，將蒲白建新煤化公司4212工作面作為智能開采科研工作面，從2020年12月至2022年6月進(jìn)行工程建設(shè)與實(shí)踐應(yīng)用。將智能控制系統(tǒng)與機(jī)械化設(shè)備相結(jié)合，通過智能化控制系統(tǒng)全面感知、自學(xué)和決策，形成順槽和地面遠(yuǎn)程操控采煤模式，實(shí)現(xiàn)液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等自主執(zhí)行功能，通過采煤機(jī)記憶割煤、液壓支架自主跟機(jī)移架、高清攝像頭視頻監(jiān)控等技術(shù)裝備，將工作面操作工變?yōu)檫h(yuǎn)程在線監(jiān)控員，實(shí)現(xiàn)無人跟機(jī)作業(yè)，有人安全巡視，工作面操作工減少5人，實(shí)現(xiàn)工作面智能化開采階段性目標(biāo)。

1 智能開采工作面地質(zhì)條件

智能開采工作面為建新煤化公司4212工作面，該工作面埋深+570～+648 m，煤厚7.2～8.46 m，煤層傾角2°～4°，自然地壓顯現(xiàn)明顯。工作面頂板以灰色中粒長石、石英砂巖為主，次為灰黑色、深灰色粉砂巖與細(xì)砂巖互層；底板以灰雜色炭質(zhì)泥巖為主、含少量灰白色泥質(zhì)砂巖。4212工作面切眼長度215 m，走向長度2 045 m，可采儲(chǔ)量457萬t，生產(chǎn)能力307萬t/a，服務(wù)年限17.8個(gè)月，與相鄰4210工作面采空區(qū)區(qū)段煤柱寬度為9 m。

2 工作面智能開采概述

4212工作面集成控制系統(tǒng)主要由4部分組成，即工作面綜采單機(jī)設(shè)備、順槽監(jiān)控中心、采煤機(jī)精確定位系統(tǒng)和支架電液控制系統(tǒng)。

綜采單機(jī)設(shè)備：包括支架電液控制系統(tǒng)、采煤機(jī)控制系統(tǒng)、三機(jī)通信控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)、工業(yè)視頻系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、智能煤流控制系統(tǒng)。

順槽監(jiān)控中心：由操作室、工業(yè)計(jì)算機(jī)、本安顯示器、數(shù)據(jù)交換機(jī)、電液控主機(jī)組成，具備顯示4212智能綜采工作面狀態(tài)、智能子系統(tǒng)集控、工作面攝像頭、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、工作面環(huán)境和人員狀態(tài)，地面向工作面通話、工作面設(shè)備“一鍵啟?！钡裙δ?。

采煤機(jī)精確定位系統(tǒng)功能：采煤機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)由高精度陀螺儀、紅外傳感器、特高射頻無線定位發(fā)射器組成，射頻發(fā)射裝置從陀螺儀傳感器獲取采煤機(jī)行走狀態(tài)數(shù)據(jù)、采煤機(jī)割煤曲線和運(yùn)輸機(jī)全長度位置曲線，通過精準(zhǔn)推移，實(shí)現(xiàn)工作面調(diào)直控制功能。

支架電液控制系統(tǒng)主要功能：支架電液控制系統(tǒng)由支架服務(wù)器、支架控制器、液壓換向閥、傳感器等設(shè)備線纜組成。顯示支架運(yùn)行狀態(tài)和傳感器信息，遠(yuǎn)程控制支架的動(dòng)作，具備支架單架動(dòng)作和自動(dòng)跟機(jī)功能，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)操作單架、成組跟機(jī)移架動(dòng)作，推拉溜、護(hù)幫伸收、拉后溜、伸縮梁伸收等動(dòng)作，如圖1所示。

圖1 智能綜放工作面集成控制系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of the integrated control system of the intelligent fully mechanized caving face

3 智能化開采技術(shù)特征

3.1 液壓支架跟機(jī)拉移技術(shù)

液壓支架跟機(jī)自動(dòng)拉移技術(shù)是指以采煤機(jī)位置為基準(zhǔn)，結(jié)合礦井工作面頂板壓力、傾角、液壓支架姿態(tài)、采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等信息，確定適合的割煤工藝，自動(dòng)決策并控制液壓支架中部跟機(jī)、端頭清浮煤、轉(zhuǎn)載機(jī)自動(dòng)推進(jìn)等動(dòng)作，液壓支架實(shí)現(xiàn)跟機(jī)自動(dòng)化工藝，包括采煤機(jī)位置的確定、設(shè)備正常運(yùn)行、設(shè)置合理的液壓支架電液控制系統(tǒng)、合理的采煤機(jī)割煤速度，保證工作面平穩(wěn)推進(jìn)，如圖2所示。

圖2 智能綜放工作面支架電液控制界面Fig.2 Electro-hydraulic control interface of intelligent fully mechanized caving working face support

3.2 采煤機(jī)記憶截割技術(shù)

采煤機(jī)記憶截割技術(shù)是指在實(shí)現(xiàn)液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，結(jié)合支架跟機(jī)階段和象限空間轉(zhuǎn)換點(diǎn)，將采煤機(jī)記憶割煤空間象限分割，按照示范刀所記錄的工作參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)、滾筒高度軌跡，進(jìn)行智能化運(yùn)算，形成記憶截割模板，在自動(dòng)截割過程中不斷修正誤差，確保工作面液壓支架自動(dòng)化控制與采煤機(jī)記憶割煤切換的準(zhǔn)確匹配，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)高、臥底、加速和減速等功能，降低人工干預(yù)的頻率，提高工作面自動(dòng)化跟機(jī)生產(chǎn)效率。智能綜放工作面采煤機(jī)截割控制界面，如圖3所示。

圖3 智能綜放工作面采煤機(jī)截割控制界面Fig.3 The cutting control interface of the shearer in the intelligent fully mechanized caving face

3.3 遠(yuǎn)程集中監(jiān)控技術(shù)

遠(yuǎn)程集中監(jiān)控中心對三機(jī)(刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、膠帶輸送機(jī))、泵站和液壓支架等設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)測和控制，匯總?cè)龣C(jī)、泵站、開關(guān)、電液控主機(jī)和采煤機(jī)主機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)分發(fā)給各個(gè)主機(jī)，如圖4所示。

圖4 智能綜放工作面三機(jī)控制界面Fig.4 The three-machine control interface of the intelligent fully mechanized caving face

3.4 液壓泵站控制技術(shù)

液壓泵站由泵站控制器、就地控制箱、傳感器及通信電纜等組成。實(shí)時(shí)檢測泵站的運(yùn)行工況，即泵站溫度、壓力、乳化液配比濃度、液位流量等參數(shù)，泵站具備運(yùn)行故障報(bào)警顯示功能，實(shí)現(xiàn)泵站智能遠(yuǎn)程控制啟停和智能運(yùn)行。

3.5 工作面視頻監(jiān)測技術(shù)

視頻監(jiān)測技術(shù)將人的視聽感官延伸到工作面，通過安裝在工作面支架上的攝像儀，實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測采煤機(jī)、支架、刮板輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，完成視頻跟機(jī)推送、紅外補(bǔ)光、存儲(chǔ)等功能，為工作面可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控提供“身臨其境”的視覺感受，服務(wù)遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)指導(dǎo)安全生產(chǎn)。

3.6 輸送機(jī)通信控制技術(shù)

輸送機(jī)通信控制系統(tǒng)由控制器、本安電源、組合擴(kuò)音電話、皮帶保護(hù)、通訊拉力電纜和智能終端等組成，對刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、順槽皮帶運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、順槽皮帶的集中控制。

3.7 智能煤流控制系統(tǒng)

通過煤量檢測儀掃描煤流量，控制系統(tǒng)根據(jù)煤流量大小、電機(jī)實(shí)時(shí)輸出功率及有效做功，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)前后部刮板輸送機(jī)鏈條速度，保證刮板機(jī)運(yùn)輸效率最優(yōu)，降低刮板輸送機(jī)磨損及功耗，延長使用壽命。

4 面臨難題

煤礦開采系統(tǒng)綜合復(fù)雜，點(diǎn)多、線長、面廣，主要作業(yè)場所動(dòng)態(tài)變化，因此智能化建設(shè)受到諸多因素制約，主要是采場條件，具體煤層地質(zhì)變化、礦壓顯現(xiàn)、災(zāi)害等。其次是生產(chǎn)布局、裝備可靠性、作業(yè)人員素質(zhì)等。根據(jù)中煤集團(tuán)、陜煤集團(tuán)等大型煤炭企業(yè)智能化開采技術(shù)探索成果與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合蒲白智能開采實(shí)踐，提出智能開采存在急需解決的問題。

4.1 智能開采不能常態(tài)化

智能綜采工作面裝備的可靠性、穩(wěn)定性有待提高，特別是高精度傳感、高清視頻傳感器等關(guān)鍵部件容易損壞。比如，國產(chǎn)采煤機(jī)、電液控制系統(tǒng)等故障率26%，自動(dòng)跟機(jī)拉架不能一次執(zhí)行到位，慣性導(dǎo)航、雷達(dá)等精確度不高，無法實(shí)現(xiàn)智能工作面開采常態(tài)化運(yùn)行，需人工周期性干預(yù)。

4.2 地質(zhì)保障對智能開采支撐能力不足

現(xiàn)有智能開采設(shè)備適合在簡單地質(zhì)條件下推廣應(yīng)用，對復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性較差，目前地質(zhì)條件的探測精度和透明化程度不高，成為制約智能開采技術(shù)的瓶頸問題。

4.3 高技能型人才不足

智能開采裝備技術(shù)先進(jìn)，具備煤炭開采、信息技術(shù)、管理知識(shí)的復(fù)合型人才缺乏，技術(shù)過硬、富有創(chuàng)新應(yīng)用精神的技能型人才不足，制約著智能開采技術(shù)發(fā)展進(jìn)步。

4.4 裝備設(shè)計(jì)與現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)合不緊密

智能開采裝備設(shè)計(jì)制造人員對開采現(xiàn)場情況、應(yīng)用場景了解掌握不夠充分，使裝備適應(yīng)性、可靠性較差；使用人員對裝備結(jié)構(gòu)性能了解不夠熟悉，裝備機(jī)械化、信息化、智能化、自動(dòng)化功能不能充分發(fā)揮，裝備未達(dá)到預(yù)期效果。

5 智能化開采展望

智能開采系統(tǒng)裝備由4部分組成，即執(zhí)行層、感知層、控制層、分析決策層。執(zhí)行層包括采煤機(jī)、液壓支架、運(yùn)輸設(shè)備、泵站動(dòng)力源等綜采裝備。感知層包括裝備感知或環(huán)境感知，主要功能是監(jiān)測設(shè)備的壓力、行程、溫度、電流等工況參數(shù)；環(huán)境感知層包括視頻、瓦斯、鉆孔、地質(zhì)勘探、掘進(jìn)數(shù)據(jù)等環(huán)境參數(shù)?？刂茖影娨嚎刂啤⒉擅簷C(jī)控制、集成供液控制、供電控制系統(tǒng)等。分析決策層由綜采裝備工況數(shù)據(jù)倉庫組成的智能分析應(yīng)用以及實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割模板和支架全程自適應(yīng)跟機(jī)的智能決策應(yīng)用，將人工智能決策下發(fā)給綜采控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制，實(shí)現(xiàn)感知、分析、決策、控制的閉環(huán)管理。

5.1 建設(shè)智能綜合管控平臺(tái)

構(gòu)建基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，推進(jìn)智能化建設(shè)發(fā)展。運(yùn)用5G+網(wǎng)絡(luò)將采煤機(jī)、液壓支架、泵站等設(shè)備數(shù)據(jù)集中采集，通過集控中心實(shí)現(xiàn)對工作面所有設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測與快速響應(yīng)控制。建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)接口、信息采集標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一集中管理、共享及智能聯(lián)動(dòng)控制，為安全生產(chǎn)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控、經(jīng)營決策等提供多維數(shù)據(jù)支持。

5.2 設(shè)備全生命周期管理

從設(shè)備前期管理、使用階段管理、后期管理3個(gè)方面來進(jìn)行，創(chuàng)新管理方式和內(nèi)容，提升設(shè)備全生命周期管理的實(shí)際效果，充分發(fā)揮設(shè)備效能。

5.3 地質(zhì)保障系統(tǒng)建設(shè)

從智能探測技術(shù)與裝備、地質(zhì)保障數(shù)據(jù)庫建設(shè)、高精度地質(zhì)模型構(gòu)建與應(yīng)用、采掘工作面地質(zhì)透明化等方面開展地質(zhì)保障平臺(tái)建設(shè)，打破礦井各系統(tǒng)間信息壁壘，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)信息數(shù)據(jù)的集中展示、數(shù)據(jù)共享。

5.4 達(dá)到人員設(shè)備高精度定位與多設(shè)備協(xié)同控制

傳統(tǒng)定位技術(shù)是平面定位，定位精度難以滿足智能開采需要。目前采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、液壓泵站等單個(gè)設(shè)備具有不同程度的智能化功能，但均是單機(jī)控制。需要清晰界定不同設(shè)備間智能聯(lián)動(dòng)控制功能邊界，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備協(xié)同智能控制，通過三維高精度定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)液壓支架群組自適應(yīng)調(diào)整與協(xié)同控制。

6 結(jié)語

智能綜放工作面建設(shè)應(yīng)堅(jiān)持以職工為中心，切實(shí)把職工從重體力和危及生命健康的崗位上替換下來。同時(shí)需要在充分研究應(yīng)用場景的基礎(chǔ)上，有效整合社會(huì)資源，堅(jiān)持整體規(guī)劃、分步實(shí)施的思路，在做好頂層設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在建設(shè)應(yīng)用的過程中，不斷應(yīng)用萬兆無線網(wǎng)、高端集控平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，持續(xù)推進(jìn)礦井智能化建設(shè)，打造本質(zhì)安全綠色高效礦井。